Obiettivi Formativi

Far acquisire conoscenze su: (a) principi di conversione e trasmissione dell’energia, (b) principi di funzionamento degli impianti termici nel settore civile ed industriale (c) fonti di energia rinnovabili e riduzione dei consumi energetici (d) metodologie di dimensionamento dei sottosistemi energetici costitutivi; (e) strumenti progettuali e metodologie operative in campo industriale che civile; (f) metodologie di analisi ambientale in spazi confinati finalizzati al benessere dell’uomo. Far acquisire la piena conoscenza dei dispositivi per la produzione, l’utilizzo e la conversione dell’energia focalizzandosi sui sistemi aperti. Far acquisire la capacità di applicare le metodologie di risoluzione più adeguate al dimensionamento e alla gestione dei più comuni apparati per la conversione di energia e di correlare il funzionamento di ogni singola macchina con le trasformazioni termodinamiche di riferimento. Far acquisire la capacità di scegliere soluzioni impiantistiche che soddisfino i requisiti ambientali (climatizzazione, illuminazione ed acustica), per il benessere dell’uomo (comfort termico, qualità dell’aria, comfort visivo, comfort acustico, ergonomia dell’ambiente confinato) e per la pianificazione energetica ed ambientale e la gestione dei servizi energetici. Far sviluppare la capacità di applicare le conoscenze ingegneristiche acquisite formulando, analizzando e risolvendo, attraverso un metodo scientifico rigoroso, problemi inerenti alle macchine a fluido e i sistemi di conversione dell’energia. Particolare attenzione viene posta alle attività di progettazione/sviluppo pratico dei concetti teorici e all’utilizzo di tecniche e strumenti adeguati all’analisi di esempi pratici. Far acquisire la capacità di individuare autonomamente gli strumenti e le fonti di dati necessarie all'analisi, alla comprensione e alla risoluzione dei problemi pertinenti l'insegnamento anche attraverso l'integrazione delle conoscenze acquisite con appropriate indagini bibliografiche tali da consentire un confronto critico tra le diverse soluzioni possibili. Far acquisire la capacità di interloquire con linguaggio tecnico appropriato alla disciplina. Far sviluppare la capacità di elaborazione autonoma dei concetti e di presentazione dei risultati Far acquisire un metodo di studio individuale adeguato a consentire l'approfondimento delle conoscenze e ad affrontare ulteriori tematiche avanzate o settoriali.

Learning Goals

To acquire knowledge on: (a) the principles of conversion and transmission of energy, (b) the operating principles of heating systems in the civil and industrial sector (c) the renewable energy sources and the reduction of energy consumption (d) the methodologies for sizing the constitutive energy subsystems; (e) the design tools and operational methodologies in both industrial and civil fields; (f) the environmental analysis methodologies in confined spaces aimed at the human well-being. To acquire a full understanding of the devices for the production, use and conversion of energy by focusing attention on open systems. To acquire the most appropriate resolution methods for sizing and managing the most commonly used apparatuses of energy conversion systems and to correlate the operative points, for each machine studied, with the reference thermodynamic transformations. To acquire the ability to choose plant solutions to meet environmental requirements (air conditioning, lighting and acoustics), for human well-being (thermal comfort, air quality, visual comfort, acoustic comfort, ergonomics of the confined environment) and for energy and environmental planning and management of energy services. To develop the engineering knowledge acquired by formulating, analysing and solving, through a rigorous scientific method, problems inherent to fluid machines and energy conversion systems. Particular attention is paid to the use of adequate techniques and tools for the analysis of practical examples. To acquire the ability to independently identify the tools and data sources necessary for the analysis, understanding and resolution of problems pertinent to the discipline, also through the integration of the knowledge acquired with appropriate bibliographic surveys such as to allow a critical comparison between the different possible solutions. To acquire the ability to speak with technical language appropriate to the discipline. To develop the capacity for autonomous processing of concepts and presentation of results. To acquire an individual study-method suitable to allow the deepening of knowledge and to face further advanced or sectoral topics.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge attraverso lezioni frontali ed esercitazioni in aula effettuate coinvolgendo gli studenti nella risoluzione di problemi alla lavagna.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, takes place through lectures in the classroom and exercises in the classroom carried out by involving students in solving problems on the blackboard.

Prerequisiti

Conoscenze di base di Analisi Matematica, Fisica, Geometria e di Fisica Tecnica.

Prerequisites

Basic knowledge of Mathematical Analysis, Physics, Geometry and Thermodynamics.

Verifiche dell'apprendimento

Modulo A (Fisica tecnica): La verifica dell'apprendimento prevede un esame orale. La valutazione della prova viene espressa mediante votazione in trentesimi. La prova consiste nella risoluzione di problemi della stessa tipologia di quelli svolti durante le esercitazioni e nell'esposizione di argomenti vertenti su tutto il programma svolto di cui verrà giudicata la capacità di organizzare discorsivamente la conoscenza, la capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato, la qualità dell’esposizione, la competenza nell’impiego del lessico specialistico nell'esposizione degli argomenti nonché il rigore metodologico. Per sostenere la prova è consentito l’uso di calcolatrici e tabelle. Modulo B (Sistemi di conversione dell’energia): Verranno effettuate 2 o 3 prove scritte di verifica intermedia durante il corso (durata 2/3 ore ciascuna) in cui lo studente dovrà risolvere 3 esercizi. Il superamento di tutte le prove di verifica intermedia (giudizio approvato/non approvato) consentirà di accedere direttamente alla prova orale, che dovrà essere sostenuta improrogabilmente, in uno degli appelli appartenenti alla prima sessione d’esame dopo la fine del corso. Per chi non avesse sostenuto o superato tutte le prove di verifica intermedia, le modalità di verifica dell’apprendimento saranno effettuate mediante una prova scritta (durata 2/3 ore), il cui superamento (giudizio approvato/non approvato) consentirà di proseguire l’esame tramite il colloquio orale. La prova scritta consiste nella risoluzione di 3 esercizi di dimensionamento dei componenti delle macchine a fluido, studiate durante il corso, al fine di poter valutare l’acquisizione da parte dello studente della capacità di formulare, analizzare e risolvere problemi inerenti l’insegnamento. La prova orale, che dovrà essere sostenuta nello stesso appello in cui è stata superata la prova scritta, consiste nell’esposizione degli argomenti trattati durante il corso al fine di poter valutare l’acquisizione, da parte dello studente, delle conoscenze degli argomenti trattati durante il corso mediante l’utilizzo del linguaggio tecnico specifico. Il voto finale in trentesimi sarà determinato dalla valutazione complessiva sia dell’elaborato scritto che della prova orale sostenuta e sarà commisurato al raggiungimento degli obiettivi proposti dal corso (acquisizione dei concetti teorici e delle modalità di risoluzione numerica, proprietà di linguaggio, capacità di elaborazione autonoma e collegamento tra i vari argomenti trattati, ecc.).

Assessment

Module A (Fisica Tecnica): The assessment of the learning involves an oral exam. The evaluation of the exam is expressed by score out of thirty. The exam consists in solving problems of the same typology of the ones made during the classroom exercitations and in the presentation of arguments on the entire program. During the examination it will be judged the ability to discursively organize knowledge, the critical reasoning skills on the study conducted, the quality of the exposition, the expertise in the use of specialized vocabulary in the presentation as well as the methodological rigor. During the exam the use of calculators and tables is allowed. Module B (Sistemi di Conversione dell’energia): Two or three ongoing written exam will be carried out during the course in which the student will have to solve 3 exercises. Passing all the ongoing tests, the student will allow direct access to the oral exam, which must be taken in the first exam session after the end of the course. For those who have not taken or passed all the ongoing verification tests, the learning verification procedures will be carried out by means of a written test, the passing of which will allow the examination to continue through the oral exam. The written test consists in solving 3 exercises with the aim to size the fluid machine components studied during the course in order to be able to evaluate the student's acquisition of the ability to formulate, analyze and solve teaching problems. The oral exam, which must be taken in the same session in which the written exam was passed, consists in exposing the topics covered during the course in order to be able to evaluate the student's acquisition of being able to know the topics covered during the course by using the specific technical language. The final evaluation, score out of thirty, will be determined by the overall assessment of both the written and the oral exam taken and will be commensurate with the achievement of the objectives proposed by the course (acquisition of the theoretical concepts and numerical resolution methods, language properties, autonomous processing capacity and connection among the various topics, etc.).

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: A000672 - SISTEMI ENERGETICI PER L'INDUSTRIA - MOD. A ------------------------------------------------------------ -GENERALITA’: Lavoro meccanico e calore. Principio zero. Scale di temperatura. Trasformazioni. -I PRINCIPIO: Equivalenza calore-lavoro. I principio. Schema dell’energia. Gas perfetti: energia interna e calori specifici. Politropiche. -II PRINCIPIO: Enunciati storici. Ciclo di Carnot. Temperatura termodinamica assoluta. Entropia. Calcolo delle variazioni di entropia. Lavoro massimo. -SISTEMI APERTI: Primo principio per i sistemi aperti. Caldaie, scambiatori di calore, compressori, pompe, turbine, valvole di laminazione. -TRANSIZIONI DI FASE: Relazioni di Eulero e Gibbs-Duhem. Regola delle fasi. Equazione di Clapeyron. Diagrammi (P,V),(P,T),(T,S),(H,S),(P,H) e tabelle di calcolo. Applicazioni: ciclo Rankine e ciclo frigorifero a compressione di vapore saturo. -MOTO DEI FLUIDI: Strato limite idrodinamico. Distribuzione degli sforzi nei condotti. Equazione di Bernoullì generalizzata. Calcolo delle perdite di carico distribuite e concentrate. -CONDUZIONE: Legge di Fourier. Equazione generale della conduzione. Flusso termico e distribuzione di temperatura in pareti piane e manicotti cilindrici semplici e multistrato. -CONVEZIONE: Convezione forzata, naturale e mista. Legge di Newton. Metodo dell’analisi dimensionale. -IRRAGGIAMENTO: Riflessione assorbimento e trasmissione. Intensità e grandezze derivate. Legge di Kirchhoff. Corpo nero e corpo grigio. Scambi termici tra superfici nere e grigie. Metodo dell’analogia elettrica. -FORME MISTE: Trasmissione del calore tra due fluidi separati da una parete piana o cilindrica. Raggio critico di isolamento. Alette di raffreddamento. Scambiatori di calore. Metodi di dimensionamento. -CONTROLLO AMBIENTALE DEGLI SPAZI CONFINATI: Trasformazioni dell’aria umida e diagrammi psicrometrici. Bilancio energetico del corpo umano e comfort termoigrometrico. Qualità dell’aria interna e requisiti di ventilazione. Illuminotecnica degli ambienti indoor. Progettazione di un impianto di illuminazione. Psicoacustica. Fonometria. Acustica degli ambienti confinati. -ENERGETICA DELL’EDIFICIO: Trasmittanza termica di pareti opache e trasparenti. Bilancio termico e di massa di un edificio. Carichi termici invernali e estivi. Tipologie impiantistiche per il riscaldamento e la climatizzazione degli ambienti. Impianti integrati per l’utilizzo di energie rinnovabili. Edifici nZEB. ------------------------------------------------------------ Modulo: A000673 - SISTEMI ENERGETICI PER L'INDUSTRIA - MOD. B ------------------------------------------------------------ -INTRODUZIONE AL CORSO -FABBISOGNI E PRODUZIONE D’ENERGIA E RICHIAMI DI TERMODINAMICA -TRASFORMAZIONI TECNICHE DEI FLUIDI: Trasformazioni termodinamiche e loro rappresentazione sui piani termodinamici. Calcolo del lavoro. -MOTO DEI FLUIDI NEI CONDOTTI CON SCAMBIO DI ENERGIA: Eq. cardinali dell’efflusso. Eq. di De Saint Venant. Velocità locale del suono e numero di Mach. Proprietà di ristagno. Efflusso fluidi comprimibili nei condotti a sezione variabile. Equazioni di Hugoniot. Condotti convergenti, divergenti e convergenti-divergenti. Cono di Stodola. -EFFLUSSO NEI CONDOTTI DELLE TURBOMACCHINE: Equazione meccanica dell’impulso. Momento della quantità di moto. Eq. di Eulero: motrici e operatrici. Rendimento interno di uno stadio di turbomacchina motrice e operatrice. Grado di reazione di uno stadio. Risoluzione di esercizi di dimensionamento. -TURBOMACCHINE MOTRICI A FLUIDO COMPRIMIBILE: Monostadio assiale: ad azione, a reazione. Triangoli di velocità. Turbine a vapore polistadio: a salti di pressione, a salti di velocità. Regolazione. Risoluzione di esercizi di dimensionamento. -TEORIA DELLA SIMILITUDINE -LE TURBOMACCHINE MOTRICI IDRAULICHE: Configurazioni delle turbine idrauliche. Potenze e rendimenti. Turbine Pelton, Francis e Kaplan: triangoli di velocità, rendimento interno. Distributore e la cassa a spirale. La regolazione. Recupero energetico allo scarico delle turbine idrauliche. Cavitazione. Risoluzione di esercizi di dimensionamento. -TURBOMACCHINE OPERATRICI: Compressori dinamici. Caratteristica teorica con infinite pale, teorica con “z” pale e reale con “z” pale. Perdite. Diffusori lisci e palettati. Compressori centrifughi polistadio. Compressori assiali. Rendimento interno. Macchine operatrici idrauliche. Caratteristica meccanica esterna ed interna. Matching. Cavitazione, pompaggio e stallo. Ventilatori centrifughi. Turbomacchine operatrici assiali. Risoluzione di esercizi di dimensionamento. -COMPRESSORI VOLUMETRICI ALTERNATIVI: Funzionamento in sede limite. Funzionamento in sede reale. Dimensionamento di massima. Regolazione della portata. Risoluzione di esercizi di dimensionamento.

Course Syllabus

------------------------------------------------------------ Modulo: A000672 - SISTEMI ENERGETICI PER L'INDUSTRIA - MOD. A ------------------------------------------------------------ -GENERALITY: Work and heat. The zero Law. Temperature scales. Processes. -THE I LAW: Work-heat equivalence. The first law. The energy scheme. Ideal gases: internal energy and specific heats. Polytropic processes. -THE II LAW: Historical formulations. Carnot cycle. The Kelvin temperature scale. Entropy. Calculation of the entropy changes. Maximum work. -CONTROL VOLUMES: The I law for a control volume. Boilers. Heat exchangers. Compressors. Pumps, Turbines. Throttling valves. -PHASE CHANGES: Eulero and Gibbs-Duhem equations. Phases rule. Clapeyron equation. Diagrams (P,V), (P,T), (T,S), (H,S), (P,H) and calculation tables. Applications: Rankine cycle and vapor compression refrigeration cycle. -FLUIDS MOTION: The hydrodynamic boundary layer. The stresses distribution. The generalized Bernoulli equation. Calculation of distributed and minor losses. -THERMAL CONDUCTION: Fourier law. The heat conduction equation. Heat flux and temperature distribution in simple and composite slabs and cylinders. -THERMAL CONVECTION: Free, forced and mixed convection. Newton law. The dimensional analysis method. -THERMAL RADIATION: Reflection, absorption and transmission. Intensity and derived parameters. Kirchhoff law. The black body. The grey body. Heat transfer between black or grey surfaces. The electrical analogy method. -COMBINED HEAT TRANSFER: Heat transfer between two fluids separated be a plane or cylindrical wall. The critical insulation radius. Fins. Heat exchangers. Design methods. -ENVIRONMENTAL CONTROL OF CONFINED SPACES: Transformations of humid air and psychrometric diagrams. Energy balance of the human body and thermohygrometric comfort. Indoor air quality and ventilation requirements. Indoor lighting technology. Design of a lighting system. Psychoacoustics. Phonometry. Acoustics of confined spaces. -BUILDINGS ENERGY Thermal transmittance of opaque and transparent walls. Thermal and mass balance of a building. Winter and summer thermal loads. Main systems for the heating and air conditioning of the environments. Integrated systems for the use of renewable energy. nZEB buildings. ------------------------------------------------------------ Modulo: A000673 - SISTEMI ENERGETICI PER L'INDUSTRIA - MOD. B ------------------------------------------------------------ -INTRODUCTION -REQUIREMENTS AND ENERGY PRODUCTION -THERMODYNAMICS RECALLS -TECHNICAL TRANSFORMATIONS OF FLUIDS: Thermodynamic transformations and their representation on the thermodynamic planes. Work calculation. -FLUIDS FLOW IN DUCTS WITH ENERGY EXCHANGE: Outflow Cardinal Equations. De Saint Venant Equation. Local sound speed and Mach number. Property of stagnation. Outflow of compressible fluids in ducts with variable section. Hugoniot equations. Convergent, divergent and convergent-divergent conduits. Cone of Stodola. -OUTFLOW IN TURBOMACHINE DUCTS: Mechanical impulse equation. Moment of momentum. Euler equation for turbomachines. Internal efficiency of a drive and operating turbomachinery stage. Degree of reaction of a stage. Solving sizing exercises. -STEAM TURBINES: Axial single stage: action, reaction. Speed triangles. Multi-stage steam turbines: pressure jumps, speed jumps. Adjustment. Solving sizing exercises. -SIMILITUDE THEORY -HYDRAULIC TURBOMACHINES: Hydraulic turbine configurations. Powers and returns. Pelton, Francis and Kaplan turbines: velocity triangles, internal efficiency. Distributor and spiral case. The regulation. Energy recovery at the discharge of the hydraulic turbines. Cavitation. Solving sizing exercises. -OPERATING TURBOMACHINES: Dynamic compressors. Theoretical feature with infinite blades, theoretical with "z" blades and real with "z" blades. Losses. Smooth and bladed diffusers. Centrifugal multi-stage compressors. Axial compressors. Internal efficiency. Hydraulic operating machines. External and internal mechanical characteristic. Matching. Cavitation, pumping and stall. Centrifugal fans. Axial turbomachinery. Solving sizing exercises. -ALTERNATIVE VOLUMETRIC COMPRESSORS: Limit operation. Real operation. Rough sizing. Flow regulation. Solving sizing exercises.